JP5757991B2 - Targets for spark deposition with spatially limited spark diffusion - Google Patents
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Description
本発明は、請求項1の前提項に記載されている火花蒸着ソースのためのターゲット、ならびにこれに対応する火花蒸着ソース、および火花蒸着によって層を製作する方法に関する。
The present invention relates to a target for a spark deposition source as set forth in the preamble of
以下において火花蒸着とは、そのために設けられた表面から陰極スポットが材料を蒸発させる、真空下での蒸発による物理的なコーティング方法を意味する。蒸発するべき材料が準備される装置のことを、以下においてターゲットと呼ぶ。ターゲットは、火花を点火するための点火装置ならびに火花を維持するための電圧源とともに、アークソースを構成する。以下において、陰極スポットの拡散の制限のことをアーク閉じ込めと呼ぶ。 In the following, spark deposition means a physical coating method by evaporation under vacuum in which the cathode spot evaporates the material from the surface provided for it. The device in which the material to be evaporated is prepared is called a target in the following. The target constitutes an arc source with an ignition device for igniting the spark and a voltage source for maintaining the spark. In the following, the limitation on the diffusion of the cathode spot is referred to as arc confinement.
アークソースは主として印加される磁界により作動する。このときターゲットには、特に蒸発するべきターゲット材料の表面の上方で、すなわち少なくとも近傍で、ターゲットの外部に磁束線分布(以下、簡単に磁界と呼ぶ)を生じさせる磁気的な手段が設けられており、ターゲット表面での陰極スポットの移動速度ならびにたとえば放電電圧のような放電条件が、このような磁束線分布に影響を及ぼす。 The arc source is mainly operated by an applied magnetic field. At this time, the target is provided with magnetic means for generating a magnetic flux line distribution (hereinafter simply referred to as a magnetic field) outside the target, particularly above the surface of the target material to be evaporated, that is, at least in the vicinity. In addition, the moving speed of the cathode spot on the target surface and the discharge conditions such as the discharge voltage influence the distribution of the magnetic flux lines.
磁界を生成するにあたっての1つの問題は、中心部でゼロとは異なる軸対称の磁界の場合、中心部の磁束線が常に表面に対して垂直にターゲットから出ていくことにある。円形ターゲットについては図1に、および方形ターゲットについては図2に、その様子が模式的に示されている。磁束線がターゲット表面に対して実質的に垂直に延びる領域では、陰極スポットの移動速度が大幅に低下する。こうした現象は、中心部における陰極スポットの崩壊と呼ぶことができる。この領域では、いっそう強力な材料剥離およびいっそう強力なドロップレット形成が、数に関しても量に関しても発生する。ドロップレットとは、ターゲット表面からはじき出される実質的に液体の、すなわち蒸発していないターゲット材料の団塊であり、コーティングされるべき基材にマクロ粒子として析出する。このことは反応性のコーティングプロセスでは、しばしば団塊が反応性ガスに完全に反応できないという帰結につながる。 One problem in generating a magnetic field is that in the case of an axially symmetric magnetic field different from zero at the center, the magnetic flux lines in the center always leave the target perpendicular to the surface. This is schematically shown in FIG. 1 for the circular target and in FIG. 2 for the square target. In the region where the magnetic flux lines extend substantially perpendicular to the target surface, the moving speed of the cathode spot is greatly reduced. Such a phenomenon can be referred to as the collapse of the cathode spot at the center. In this region, stronger material delamination and stronger droplet formation occur in terms of number and quantity. A droplet is a nodule of substantially liquid, i.e., non-evaporated target material that is ejected from the target surface and deposits as macroparticles on the substrate to be coated. This often results in reactive coating processes where the nodule cannot fully react to the reactive gas.
このようなターゲット中心部での陰極スポットの崩壊に対しては、基本的に2通りの方策が知られている。 For such a collapse of the cathode spot at the center of the target, basically two ways are known.
第1に、磁気システムの巧みな選択によって崩壊を回避することを試みることができる。このことは、たとえば発散する磁束線によって実現される。しかしながら磁界を集束させることで、蒸発した材料をコーティングされるべき基材へいっそう強く誘導することができ、それによって材料の使用効率が高まることも知られている。発散する磁束線を適用することで、このような利点は断念せざるを得なくなる。 First, one can try to avoid collapse by skillful selection of the magnetic system. This is achieved, for example, by diverging magnetic flux lines. However, it is also known that by focusing the magnetic field, the evaporated material can be guided more strongly to the substrate to be coated, thereby increasing the efficiency of use of the material. By applying diverging magnetic flux lines, these advantages must be abandoned.
第2に、垂直方向に出ていく磁束線にもかかわらず陰極スポットをターゲットの中心領域から追い出すこと、すなわち、中心領域の範囲外にあるターゲットの領域に限定し、制限する方策を講じることが知られている。これに応じて国際公開第0016373号パンフレットでは、陰極スポットの中心領域での崩壊という問題は、ターゲットの中心領域にカバーが設けられ、その材料が低い二次電子収量を有していることによって緩和される。カバー材料として、同文献ではたとえば窒化ホウ素が用いられる。しかしこの取り組みでは、カバー表面のコーティングによってこれが導電性となり、陰極スポットがカバー表面へと移動する可能性があり、そのために、生成されるべき層に望ましくない成分が生じるという問題が起こる。 Second, the cathode spot should be driven out of the center area of the target despite the magnetic flux lines exiting in the vertical direction, i.e. limiting and limiting to the target area outside the center area. Are known. Correspondingly, in WO 0016373, the problem of collapse in the central region of the cathode spot is mitigated by the fact that the center region of the target is provided with a cover and the material has a low secondary electron yield. Is done. In this document, for example, boron nitride is used as the cover material. However, this approach raises the problem that the coating on the cover surface makes it conductive, which can cause the cathode spot to migrate to the cover surface, thereby creating undesirable components in the layer to be produced.
本発明の課題は、従来技術の欠点を少なくとも部分的に克服することにある。このとき講じられる方策では、ジョブショップ型のコーティング事業所の生産環境での有用性が引き続き確保されることが意図される。それに応じて低いコスト、プロセス安定性、メンテナンスフリーに関わる要求事項が課される。 The object of the present invention is to at least partly overcome the disadvantages of the prior art. The measures taken at this time are intended to continue to ensure the usefulness of the job shop type coating establishment in the production environment. Correspondingly, low cost, process stability and maintenance free requirements are imposed.
本発明によるとこの課題は、請求項1の特徴部分に準じて解決される。従属請求項は、その他の好ましい実施形態を形成している。
According to the invention, this problem is solved according to the characterizing part of
発明者らが見出したところでは、国際公開第0016373号パンフレットの1つの問題点は、コーティングが進んでいくにつれて、カバーと蒸発材料との間に接触が生じるために導電接続が生起され、この導電接続が、低い二次電子収量にもかかわらず、カバー表面での火花放電を可能にするという点にある。 As found by the inventors, one problem of WO 0016373 is that as the coating progresses, a conductive connection is created due to contact between the cover and the evaporating material, and this conductive The connection is that it allows a spark discharge at the cover surface despite the low secondary electron yield.
したがって、本発明では陰極スポットがターゲット表面の中心領域から非常に効率的に追い出され、それは、この領域で電子の補給がコーティングプロセス中に恒常的に妨げられることによって行われ、すなわち、電流容量の不足のために火花放電が起こり得ないことによって行われる。このことは、たとえば中心領域が恒常的に絶縁され、電気的な浮動電位に配置されることによって実現することができる。驚くべきことに、こうした電子の補給がターゲットの中心領域で持続的に妨げられれば、残りのターゲット表面と同一の材料をカバー材料として使用することさえできる。したがって、低い二次電子収量を有する材料を使用することが前提条件ではなくなる。陰極スポットがたまたま一時的にカバーの上にきたとしても、そのことは層の汚染にはつながらない。 Thus, in the present invention, the cathode spot is displaced very efficiently from the central area of the target surface, which is done by constantly hindering electron replenishment during the coating process, i.e. This is done because a spark discharge cannot occur due to a shortage. This can be achieved, for example, by the central region being permanently insulated and placed at an electrical floating potential. Surprisingly, the same material as the rest of the target surface can even be used as the cover material if such electron replenishment is continuously hindered in the central region of the target. Therefore, it is no longer a prerequisite to use a material having a low secondary electron yield. If the cathode spot happens to be temporarily on the cover, it does not lead to contamination of the layer.
次に、実施例と図面を参照しながら本発明について詳しく一例をあげて説明する。図面は次のものを示している: Next, the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. The drawing shows the following:
第1の実施例では、ターゲット1は図3に示すように、固定リング11によって絶縁ピン9に保持される、電気的に絶縁されて取り付けられる円板7を収容するための成形部5を中心領域に備える、本例ではチタンであるターゲット材料3を含んでいる。絶縁ピン9としては、たとえば導電性でないセラミック材料が適している。ターゲット材料3と円板7の間の間隔は、約1.5mmから3.5mmの間である。間隔がこれよりも広いと、浮動電位にある円板7の下を陰極スポットが通る危険がある。間隔が1.5mmよりもさらに小さいと、コーティング材料の成長によって、ターゲット材料3と円板7の間で電気接触が起こる危険がある。
In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the
ターゲットを製作するために、まず、冷却と電気接触の両方の役目をする支持プレート(図示せず)へ、ターゲット材料からなるプレートを装着するのが好ましい。その後で初めて、絶縁ピン9、円板7、および固定リング11の機械的な係止が実行される。
In order to fabricate the target, it is preferable to first attach a plate of target material to a support plate (not shown) that serves both cooling and electrical contact. Only then is the mechanical locking of the
多くの用途において、ターゲット1はコーティング室の側壁に配置される。このことは円形ターゲットについては、ターゲット1の対称軸が水平方向に位置することを意味している。円板7は本例では穴を含んでおり、この穴によって絶縁ピン9に差し込まれる。穴の直径は、穴に差し込まれる絶縁ピン9の部分の直径より、数10分の1ミリメートルだけ大きく選択されるのが好ましい。したがって重力に基づき、円板7は1本の線上で絶縁ピン9の上側の外套部分に載置される。固定リング11は、図3に示すように、円板7の中央の成形部に沈降している。それによって載置線がいっそう短縮され、もっとも不都合な場合には円板の重心は、円板7が許容差に基づいて傾いたまま絶縁ピン9の外套面に支持されるところに位置する。これを防ぐために円板7は、この実施形態の本発明による発展例では、1つまたは複数の成形部13を含んでいる。この成形部13は、円板7の重心が軸上で固定リング11から離れるように移動し、そのようにして、円板7が傾動したまま支持されないように働く。
In many applications, the
円板7は、本実施形態では導電性のたとえば金属材料でできている。特別に好ましい実施形態では、浮動式の円板7を軟磁性材料として製作することができ、それにより、磁束線が円板の外側エッジのところで垂直に出ていくようにすることができ、すなわちターゲット表面と実質的に平行に延びるようにすることができ、その様子は図4に右側の破線で示されている。それにより、残りのターゲット領域全体にわたって陰極スポットの迅速な移動速度が保証される。
In this embodiment, the
本明細書では、蒸発することが意図される表面を実質的に1つの平面に含む、蒸発されるべき材料からなる第1の本体3を備えるアークソース用のターゲットが開示されており、この表面は当該平面で中央領域を取り囲んでおり、中央領域には第1の本体3から電気的に絶縁された、好ましくは円板形状で構成された第2の本体7が設けられており、それにより第2の本体7から火花を維持するための電子が実質的に提供され得ないようになっていることを特徴とする。
Disclosed herein is a target for an arc source comprising a
第1の本体3は、第2の本体7が中に沈降していて絶縁ピン9により取り付けられた成形部5を中央領域に含んでいるのが好ましく、第1の本体3と第2の本体7の間の間隔は1.5mmから3.5mmの間の1つまたは複数の値をとっており、特別の好ましい実施形態では、本体7は少なくとも成形部5から突き出す表面に、本体3の材料に相当する材料を有している。
The first
第2の本体7は1つまたは複数の成形部13を含むことができ、それにより、軸上に位置している第2の本体7の重心が穴の外套面の高さに位置するようになっている。
The
別の特別に好ましい実施形態では、第2の本体7は軟磁性材料で製作されている。
In another particularly preferred embodiment, the
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